0 引言

弹性介质中能够传播两种不同类型的体波，一种是质点振动方向与传播方向一致的纵波(压缩波)，另一种是质点振动方向与传播方向垂直的横波(剪切波)^[1-2]。油气储层的横波和纵波响应特征不同：一方面，横波传播只与岩石骨架有关，对流体不敏感，对存在气云区的特殊油藏，能更准确地对地下构造成像；另一方面综合利用纵波和横波信息可以提高储层反演和预测的精度^[3-4]。基于上述优势，从二十世纪三十年代开始，前苏联科学家就开展横波勘探方法研究，美国、法国、西德也相继开展了大量横波勘探方法的试验。二十世纪七、八十年代后，受震源的限制，横波勘探逐步被成本更低的转换波勘探取代，针对横波勘探的研究几乎停滞。但由于转换波勘探射线路径不对称，上、下行波类型不一致^[5-6]，给资料处理、解释带来许多困难，2010年后也开始归于沉寂^[7]。

近年来，东方地球物理公司(BGP)通过不断地研究和探索，成功研发了大吨位横波可控震源EV-56S，采集了横波源三维地震资料，横波勘探取得重大技术突破。横波勘探不同于纵波，多分量检波器记录的地震波场与横波震源激发方向、地下介质的裂隙方向直接相关，有着明显的矢量特性，而以往横波处理技术研究局限于二维横波处理或者建立在三维转换波地震资料处理基础上，对横波三维空间上复杂波场的矢量关系考虑不足，无法应用于三维横波地震资料，因此迫切需要形成一套完整的矢量处理技术。

在柴达木盆地三湖地区开展的可控震源纵、横波联合激发的三维多波矢量采集，即在同一位置，纵波震源、x方向横波震源(振动方向与接收排列平行)、y方向横波震源(振动方向与接收排列垂直)各激发一次，三分量数字检波器接收，获得了三维九分量(3D9C)地震数据。

本文仅对横波震源激发、水平分量接收到的四个分量数据开展针对横波勘探多方向性的矢量处理技术研究。

1 四分量旋转技术

为方便后续阐述，在野外观测系统坐标系中，定义平行于检波线方向为x方向，垂直于检波线方向为y方向，如用S_xR_y表示震源沿x方向水平激发、三分量检波器沿y方向接收的地震道；在室内处理R、T坐标系中，定义平行于炮检点连线方向为径向R，垂直于连线方向为切向T，如用S_RR_T表示震源径向投影能量、检波点切向接收能量的地震道。

对于三维横波源地震资料，在各向同性水平层状介质假设条件下，如果横波震源激发方向与穿过炮点和接收点的垂直面即不平行也不垂直，则检波器两个水平分量上均会接收到能量，即在S_xR_x、S_xR_y、S_yR_x和S_yR_y四个水平分量上都会接收到横波能量。另一方面，受地表条件影响，实际野外采集时，震源车行进方向无法严格遵照施工设计中规定的检波线方向，不同的震源车车头朝向导致接收到的横波相位存在差异，当震源车朝向相反时，子波相位差180°，极性相反。基于以上两方面原因，任意水平分量未经矢量处理直接叠加均无法获得较好的成像效果。

因此，三维横波地震资料处理应首先将四个初始分量数据旋转到与炮、检点连线平行或正交的R、T方向，以寻求R、T方向能量最大化。借鉴横波分裂分析与校正公式^[8-9]，四分量旋转可表示为

$ \begin{aligned} &\left(\begin{array}{ll} \mathrm{S}_{\mathrm{R}} \mathrm{R}_{\mathrm{R}} & \mathrm{S}_{\mathrm{R}} \mathrm{R}_{\mathrm{T}} \\ \mathrm{S}_{\mathrm{T}} \mathrm{R}_{\mathrm{R}} & \mathrm{S}_{\mathrm{T}} \mathrm{R}_{\mathrm{T}} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} \cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{array}\right) \times \\ &\left(\begin{array}{ll} \mathrm{S}_x \mathrm{R}_x & \mathrm{~S}_x \mathrm{R}_y \\ \mathrm{~S}_y \mathrm{R}_x & \mathrm{~S}_y \mathrm{R}_y \end{array}\right)\left(\begin{array}{cc} \cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right) \end{aligned} $

(1)

式中θ为炮检点连线与x方向的夹角。

如图 2所示，使用原始四个水平分量数据进行叠加，成像效果较差。通过四分量旋转后，S_RR_R和S_TR_T分量的叠加能量得以恢复(图 3a和图 3b)，但由于实际介质的各向异性，S_RR_T和S_TR_R分量的叠加剖面仍有有效能量残留(图 3c和图 3d)，将在后续快、慢波分离处理中得到进一步解决。

2 快慢横波分离技术

当横波在含有裂缝的各向异性介质中传播时，就会明显分裂为两个偏振互相正交而速度不同的剪切波^[10-12]，一个是偏振方向平行于裂缝的快横波，另一个是偏振方向垂直于裂缝的慢横波^[13]。

2.1 裂缝方位角求取

实际资料处理中，裂缝的方位角(φ)和慢波的延迟时都是未知的，首先要确定裂缝的方位角。常用于计算裂缝方位角的方法有基于R、T方向能量比法、旋转相关法、T分量极性反转法^[14-16]和Alford旋转扫描法，需根据具体情况选择合适的裂缝方位角计算方法。研究区位于柴达木盆地三湖地区，主要生物气藏位于Q₁₊₂、N₂³，以湖相沉积为主。该时期地层沉积速率快(第四系最大沉积厚度超过3200m)，且仅经历了喜山期一次大的构造运动，发育单组裂缝。根据研究区区域地质特征，按15°增量划分扇区并形成方位角道集，先利用旋转互相关法确定裂缝发育大致范围，但受观测系统、扇区分组、资料信噪比等因素的影响，利用该方法求取的裂缝方位角在部分CMP位置存在明显的跳变异常(图 4a)。通过限定裂缝发育方向的范围，利用Alford旋转扫描法再次计算以获得更稳定的裂缝方位角信息(图 4b)，图 4c为对应的S_RR_R分量叠加剖面。

2.2 快慢波分离技术

假设地下含裂缝地层和预处理得到横波地震记录满足：①选定分析时窗内的目标地层只发育单一方向的裂缝；②地下裂缝地层可等效于HTI介质，即裂缝垂直于地层。

快、慢波分离就是根据横波在各向异性介质中传播特性，应用传播矩阵旋转法，将混合了快、慢横波能量的R、T分量转换为快、慢横波记录

$ \begin{aligned} &\left(\begin{array}{ll} \mathrm{S}_{\mathrm{S} 1} \mathrm{R}_{\mathrm{S} 1} & \mathrm{~S}_{\mathrm{S} 1} \mathrm{R}_{\mathrm{S} 2} \\ \mathrm{~S}_{\mathrm{S} 2} \mathrm{R}_{\mathrm{S} 1} & \mathrm{~S}_{\mathrm{S} 2} \mathrm{R}_{\mathrm{S} 2} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} \cos \beta & \sin \beta \\ -\sin \beta & \cos \beta \end{array}\right) \times \\ &\left(\begin{array}{ll} \mathrm{S}_{\mathrm{R}} \mathrm{R}_{\mathrm{R}} & \mathrm{S}_{\mathrm{R}} \mathrm{R}_{\mathrm{T}} \\ \mathrm{S}_{\mathrm{T}} \mathrm{R}_{\mathrm{R}} & \mathrm{S}_{\mathrm{T}} \mathrm{R}_{\mathrm{T}} \end{array}\right)\left(\begin{array}{cc} \cos \beta & -\sin \beta \\ \sin \beta & \cos \beta \end{array}\right) \end{aligned} $

(2)

式中：β为裂缝方向与炮检连线方向的夹角；S_S1R_S1分量表示分离后得到的快横波；S_S2R_S2分量表示分离后得到的慢横波；S_S1R_S2和S_S2R_S1分量能量在快、慢波分离彻底的情况下为0。

为了验证上述结论，设计了一个三层水平层状模型，第一层、第三层是各向同性介质，第二层是裂缝方位角为60°的HTI介质，具体参数如表 1所示。

应用反射系数法合成第2个界面的横波反射数据，再将R、T方向四个分量按10°增量划分扇区进行叠加，得到第2界面的横波反射方位角道集(图 5a~图 5d)。受方位各向异性的影响，S_RR_R和S_TR_T分量同相轴呈现周期性波浪状，而S_RR_T和S_TR_R分量每隔90°则会出现极性反转现象。根据S_RR_R或S_TR_T分量出现最大时差位置可推知，裂缝方位角β=60°。将裂缝方位角代入式(2)，旋转得到快(S_S1R_S1分量)、慢(S_S2R_S2分量)波分离结果(图 5e、图 5f)。分离后的S_S1R_S2分量(图 5g)和S_S2R_S1分量(图 5h)能量为0，说明利用该方法能够比较彻底地分离快、慢横波。

图 6为实际地震数据S_RR_R分量和分离的快横波分量的速度谱及道集，可以看出，分离后道集中不同炮检距同相轴错断的异常现象得到有效消除，连续性增强，道集质量明显提高，速度谱能量也更为聚焦。图 7、图 8分别是快、慢横波分离前、后的叠加剖面和叠前时间偏移剖面对比，从中可以看到，相较于S_RR_R和S_TR_T分量，快横波和慢横波数据的波阻关系清楚，消除了同一套地层横向上能量强弱不一致的异常现象，同相轴更光滑，层位可解释性明显提高，且快、慢横波波组特征基本一致，同一套层位仅存在时延，随深度增加而增大。

3 应用效果

柴达木盆地三湖地区生物天然气藏发育。但受气云影响，纵波地震剖面成像效果较差，构造变形，无法落实气云区构造形态特征，严重制约该区后续勘探开发进程。为此，BGP在研究区部署了纵、横波联合激发的三维多波地震勘探项目。针对横波资料明显的矢量特性，初步形成了以四分量旋转和快慢波分离技术为核心的横波源三维地震资料矢量横波配套处理技术流程(图 9)。通过该套技术流程的应用，获得了高品质的横波地震剖面。

研究区东侧位于A号气田，从图 10的纵、横波时间域处理成果可以看出，纵波受气云的影响，存在明显的低频下拉现象，成像质量极差，而横波在含气异常区成像优势明显，较好地恢复了A号气田区的构造形态。图 11是根据纵、横波联合解释方案目的层K9所在位置平均时间提取的时间切片，图 12是提取的目的层K13的沿层相干切片，可以看出，相较于纵波，横波除在含气异常区构造成像方面的优势外，对于微小断裂及地质异常体的刻画能力明显增强。

从图 13利用纵、横波成果获得的叠前波阻抗反演结果可见，在相同域(横波标定到纵波域)中，纵波仅能识别研究区厚度约为8.6m的薄储层，而横波能够识别的厚度约为4.6m，相较于纵波，横波分辨率提高了近一倍，这为落实该区域构造背景、助力开发阶段薄储层预测奠定了资料基础。

4 结论及认识

(1) 在柴达木盆地三湖地区，成功应用了横波源三维地震资料矢量横波配套处理技术，获得了可靠的快、慢横波成果资料。

(2) 在研究区，相比于纵波，横波资料不仅能够有效刻画气云区的构造形态，而且分辨率更高。

(3) 四分量旋转和快慢波分离技术的联合应用，基本解决了研究区横波勘探的处理难题。但目前仅能应用于单组裂缝发育地区，当实际地质条件更复杂、在多层系发育多组裂缝时，如何逐层开展矢量处理尚需进一步研究。